運放參數(shù)解析：輸入偏置電流(Ibias)和失調(diào)電流(Ios)

今天與大家分享一下運放系列第一個問題：輸入偏置電流(Ibias)和失調(diào)電流(Ios)。

（1）運放為什么存在偏置電流

（2）運放輸入級對偏置電流的影響

（3）運放內(nèi)部如何降低偏置電流

（4）如何從手冊中識別Ibias補(bǔ)償運放

（5）運放外部如何補(bǔ)償偏置電流造成的影響

01

大家分析運放電路時對“虛短”與“虛斷”這兩個概念不陌生。其中“虛斷”即表示運放同向端與反向端電流為0，但這是建立在理想運放的前提下。實際的運放輸入阻抗不可能為無窮大，因此必然同向端與反向端必然存在微小的電流即失調(diào)電流（Ibias）。若忽略Ibias計算結(jié)果必然存在一定誤差！不同的運放Ibias也存在較大差異，小至fA級別（CMOS，JFET運放）大至uA(BJT運放)，并且Ib+與Ib-的流向可能相同也可能不同，不存在二極管鉗位電路和偏置電流補(bǔ)償電路時Ib+與Ib-一般為同向，而存在這兩種電路時Ib+與Ib-可能為反向！Ibias表達(dá)式為

圖1 運放偏置電流

那Ibias存在的原因是什么呢？圖2為標(biāo)準(zhǔn)運放LM358的輸入級，我們知道運放正常工作時BJT工作在放大區(qū)，因此必須要提供一定的基極電流Ib為BJT提供靜態(tài)工作點使其始終處于放大區(qū)，否則BJT將發(fā)生截止失真。

圖2 LM358輸入級

通常運放的輸入級為BJT，F(xiàn)ET或者M(jìn)OS構(gòu)成的差分放大電路。由于FET和MOS具有極高的輸入阻抗，因此由其構(gòu)成的運放Ibias往往比BJT構(gòu)成的要小。但由于CMOS的柵極SiO2層易受靜電或過壓擊穿，所以如圖3所示運放內(nèi)部通常會引入二極管進(jìn)行鉗位保護(hù)，二極管存在很小的截止電流，所以此時Ib+和Ib-為二極管截止電流與CMOS柵極電流的代數(shù)和。由于二極管截止電流方向及大小存在差異因此此類型的運放Ib+與Ib-流向可能同向或者反向。

圖3 CMOS+鉗位二極管

為了盡可能降低偏置電流，一些精密運放通常采用如圖4所示補(bǔ)償電路為BJT提供必要的基極電流，此時可以極大減小輸入偏置電流，此時Ib+與Ib-為補(bǔ)償電流與BJT基極電流之差，由于補(bǔ)償電流源電流差異及BJT的差異，Ib+與Ib-的大小可能不一樣且方向也存在隨意性。

圖4 I bias補(bǔ)償電路

Ios稱作運放的失調(diào)電流，其表明運放兩輸入端Ib+和Ib-之差，Ios=Ib+ - Ib-。Ios越小則表明運放的失調(diào)電流一致性越好。此外Ios僅對電壓型運放適用。

02

看過運放手冊的朋友都知道運放是否存在偏置電流補(bǔ)償和二極管鉗位電路往往無法很直接的看出。認(rèn)識了Ios并結(jié)合上述Ibias的特點，這里有兩條小技巧非常方便用來判斷：

（1）若手冊中Ibias參數(shù)標(biāo)有±，很大概率此運放存在偏置電流補(bǔ)償;

（2）若手冊中Ios與Ibias參數(shù)屬于同一數(shù)量級，則存在偏置電流補(bǔ)償，若Ibias與Ios 相差較多，則該運放不存在偏置電流補(bǔ)償;

表1為ADI的LT1358運放對于偏置電流和失調(diào)電流的定義，可知該運放Ib參數(shù)沒有±，且Ib與Ios相差不大，據(jù)此可以推斷該運放不存在偏置電流補(bǔ)償和二極管鉗位電路。這也可以說明該運放是BJT型運放。

表1 LT1358 數(shù)據(jù)手冊

再看一下TI的OPA2607數(shù)據(jù)手冊可知該運放Ib為±值，且Ib和Ios一樣大，所以該運放存在偏置電流補(bǔ)償。

表2 OPA2607數(shù)據(jù)手冊

聊到這里，我們需要認(rèn)識一下偏置電流對電路精度的影響。下圖為LT1358配置為電壓跟隨器的電路。對該電路進(jìn)行仿真，運放為±5V供電，Vi為2V理想電壓源，此時Vo=1.9999694V，非常接近Vi，偏置電流好像沒有“發(fā)揮”它的作用。

圖7 LT1358構(gòu)成電壓跟隨器

圖8 圖7電路仿真結(jié)果

如圖9所示，現(xiàn)實中上述電路幾乎是不存在的，因為電壓源都存在內(nèi)阻Rs。僅加入Rs后Vo=1.9985139V，Vo怎么變小了？原因就在于有Ib+流過了Rs造成Vp＜Vi！我們再來計算一下看看真的是這樣嗎？仿真中Ib+ = 145.58662nA。

Bingo！計算結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近，證明我們的分析是正確的。有時我們認(rèn)為這點誤差根本不重要，但是這僅僅是放大倍數(shù)為1時，若放大倍數(shù)很高時誤差將非常大！因為偏置電流會流過外部的電阻網(wǎng)絡(luò)所以當(dāng)設(shè)計其它運放電路時我們要合理選取外部電阻值盡量減小偏置電流的影響！

圖9 實際電壓跟隨器

圖10 圖9電路仿真結(jié)果

03

那我們?nèi)绾蜗秒娏髟斐傻恼`差呢？一方面我們要選用偏置電流盡可能小的運放，另一方面我們也可以如圖11在電路中加入Rn=10k以此來平衡Ib+引起的誤差，若Rn較大時可以并聯(lián)Cn以減小高頻噪聲引起的干擾。加入Rn后的Vo仿真結(jié)果如圖12為Vo=1.9999703V，與2V非常接近，說明Rn有助于減小偏置電流造成的誤差。

圖11 引入平衡電阻Rp

圖12 引入Rp后Vo

不論哪種類型的運放都可以利用平衡電阻解決偏置電流造成的誤差嗎？答案是否定的！只有當(dāng)運放的Ib+和Ib-一致性（大小和方向）很好時才可以使用。內(nèi)部存在偏置電流補(bǔ)償或者二極管鉗位的運放并不能很好地利用平衡電阻進(jìn)行補(bǔ)償，因為這種運放Ib+和Ib-大小和方向都有可能不一樣，若盲目的引入平衡電阻有可能造成誤差不降反增的結(jié)果！所以要先確定好運放的類型再決定是否可以補(bǔ)償。

OK，關(guān)于運放失調(diào)電壓的幾點問題今天就和大家分享到這里，喜歡筆者的讀者請點擊下方公眾號名片關(guān)注筆者，您的關(guān)注與支持將轉(zhuǎn)換為筆者前進(jìn)的動力，小生將在后續(xù)的推送中不斷送出更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，關(guān)注后還可加入技術(shù)交流群與各路大神共同探討進(jìn)步。

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